Лазерная сварка включает в себя множество переменных процесса. Но творческое мышление также открывает значительные возможности.
В каждой отрасли продукты разрабатываются, перепроектируются или переоцениваются в сторону улучшения материалов и функциональности. Конечная продукция состоит из множества компонентов, и эти компоненты необходимо каким-то образом соединить. Одним из таких способов соединения является лазерная сварка.
В лазерной сварке используется луч света высокой интенсивности, который создает расплавленную сварочную ванну и сплавляет материалы вместе. Это бесконтактный процесс, он имеет низкое тепловложение по сравнению с другими процессами сварки, обеспечивает высокую скорость обработки и позволяет создавать глубокие зоны сварки за один проход.
Конечно, чтобы в полной мере воспользоваться всеми этими преимуществами и обеспечить высококачественный и воспроизводимый процесс, производителям необходимо учитывать, чем лазерная сварка отличается от других процессов сварки плавлением. Конструкция соединений и креплений также играет роль. Как и в случае с любой технологией изготовления металлов, разумное внедрение начинается с хорошего понимания основ процесса.
Лазерная сварка
Лазерная сварка использует луч света, фокусируемый в небольшой точке на заготовке. Генерируемый из какой-либо среды свет выходит из лазерного источника и начинает расходиться. Затем его коллимируют так, чтобы луч был параллелен и не расширялся. Расстояние от выхода до коллимационной поверхности называется коллимационной длиной. Луч остается коллимированным до тех пор, пока не достигнет фокусной поверхности. Затем луч сужается и принимает форму песочных часов, пока не оказывается в фокусе в самой маленькой точке. Расстояние от поверхности фокуса до наименьшей точки называется фокусным расстоянием. Размер пятна фокусировки определяется по следующему уравнению: Диаметр волокна × Фокусное расстояние/Длина коллимации = Диаметр фокуса.
Расстояние, на котором диаметр фокуса находится в пределах 86% площади фокуса, называется глубиной фокуса. Если положение фокуса сместится за пределы этой области, ожидайте, что результаты процесса изменятся. Чем больше соотношение между фокусным расстоянием и длиной коллимации, тем больше становится глубина фокуса для данного волокна.
Волокна большего размера имеют большую глубину фокуса по сравнению с волокнами меньшего диаметра. Большие соотношения и волокна имеют больший размер пятна, что приводит к снижению плотности мощности и, следовательно, к уменьшению проникновения.
Существует два вида лазерной сварки: теплопроводная сварка и сварка с замочной скважиной. При теплопроводной сварке лазерный луч расплавляет сопрягаемые детали вдоль общего соединения, а расплавленные материалы стекают вместе и затвердевают, образуя сварной шов. При сварке теплопроводностью, используемой для соединения тонкостенных деталей, используются твердотельные лазеры импульсного или непрерывного действия.
При теплопроводной сварке энергия передается заготовке исключительно за счет теплопроводности. По этой причине глубина сварного шва колеблется от нескольких десятых миллиметра до 1 мм. Теплопроводность материала ограничивает максимальную глубину сварного шва, а ширина сварного шва всегда больше его глубины. Теплопроводная лазерная сварка используется для угловых сварных швов на видимых поверхностях корпусов устройств, а также для других применений в электронике.
Сварка «замочной скважины» требует чрезвычайно высокой плотности мощности — около 1 мегаватт на квадратный сантиметр. Он используется в тех случаях, когда требуется глубокая сварка или когда необходимо сваривать несколько слоев материала одновременно.
В этом процессе лазерный луч не только плавит металл, но и производит пар. Рассеявшийся пар оказывает давление на расплавленный металл и частично вытесняет его. Тем временем материал продолжает плавиться. В результате получается глубокая, узкая, заполненная паром дыра или замочная скважина, окруженная расплавленным металлом.
По мере продвижения лазерного луча вдоль сварного соединения замочная скважина перемещается вместе с ним через заготовку. Расплавленный металл течет вокруг замочной скважины и затвердевает на своем пути. В результате получается глубокий, узкий сварной шов с однородной внутренней структурой. Глубина сварного шва может превышать ширину сварного шва в 10 раз. Расплавленный материал практически полностью поглощает лазерный луч, и эффективность процесса сварки повышается. Пар в замочной скважине также поглощает лазерный свет и частично ионизируется. Это приводит к образованию плазмы, которая также передает энергию заготовке. В результате сварка с глубоким проплавлением отличается большой эффективностью и высокой скоростью сварки. Благодаря высокой скорости зона термического влияния (ЗТВ) мала, а деформация минимальна.
Сравнение сварки плавлением
По сравнению с другими процессами лазерная сварка обеспечивает высочайшее качество сварного шва, наименьшее тепловложение и высочайшее проплавление за один проход. Он имеет один из самых высоких диапазонов комбинаций материалов и геометрии деталей, чрезвычайно управляем и воспроизводим, а также является одним из самых простых в автоматизации (см. Рисунок 2 ). Все это позволяет создавать новые конструкции соединений, а детали можно производить с большей скоростью и с меньшими затратами послесварочной обработки.
Лазерная сварка также требует самых высоких первоначальных инвестиций, затрат на оснастку и требований к сварным соединениям. Это необходимо учитывать при выборе лазерной сварки в качестве метода соединения для вашего производственного процесса.
Совместные соображения
Сварка с глубоким проплавлением позволяет одним сварным швом заменить несколько сварных швов в различных конструкциях соединений. На рис. 3 показаны некоторые типичные конфигурации соединений, выполненных лазерной сваркой. Стыковые сварные швы не требуют фаски для более толстых деталей, Т-образные соединения можно сваривать с одной стороны с полной прочностью, а швы внахлестку можно сваривать через верхний лист или вдоль шва. Это обеспечивает гибкость при проектировании деталей и мест сварки.
Стыковая сварка требует высокой точности позиционирования. Типичные размеры сварочного пятна составляют от 50 до 900 мкм в диаметре. Допустимый позиционный допуск должен составлять менее половины диаметра луча, чтобы гарантировать взаимодействие лазерного луча с обеими сторонами соединения. Допустимый зазор обычно составляет 10 % самого тонкого материала или менее 50 % диаметра сварной балки. Таким образом, фиксация имеет решающее значение в этих конфигурациях соединений, чтобы обеспечить высокую повторяемость положения и минимальный зазор.
Обычными способами учета этого являются проектирование детали с запрессовкой или проектирование прочного крепления. Некоторые могут использовать систему машинного зрения для обеспечения позиционирования деталей, но это увеличит время цикла и усложнит программирование производства. Также важно выбрать правильный размер пятна на детали. Пятна большего размера допускают большие вариации, но требуют гораздо больше затрат энергии для достижения той же глубины провара.
Стыковая сварка имеет множество преимуществ. Прочность сварного шва определяется количеством сварного шва вдоль шва, поэтому величина проплавления определяет величину прочности сварного шва. Узкие и глубокие сварные швы производят меньше тепловложения, что создает небольшую зону термической опасности и ограничивает деформацию. Это также позволяет использовать меньше материала, поскольку не требуется перекрытия.
Сварка внахлестку имеет множество различных аспектов. Допустимый зазор обычно составляет 10% толщины верхнего материала. Ширина сварного шва и сплавление на границе раздела двух материалов определяют прочность сварного шва. По сравнению со стыковыми соединениями такие конфигурации внахлест приводят к более высоким энергозатратам, большей ЗТВ и большей деформации.
При сварке верхнего листа лазерный луч должен проникнуть через верхний лист в нижний лист, и вся эта энергия, затраченная на проникновение в верхний лист, не добавляет прочности сварному шву. Нахлесточные сварные швы должны быть шире, чтобы повысить их прочность. Это требует большего ввода энергии, что достигается либо за счет большего размера пятна, либо за счет колебаний с меньшим размером пятна. Если минимальная деформация имеет решающее значение, сварной шов должен лишь частично проникать в нижний лист. Если приложения требуют низких тепловложений и низкой мощности или высоких скоростей обработки, идеальным решением могут стать соединения с частичным проплавлением. Они создают поверхность на обратной стороне сварного шва, не подверженную воздействию тепла и, следовательно, поверхность класса А.
При сварке с частичным проплавлением минимальное проникновение в нижний лист должно составлять от 20% до 50% для более тонких материалов и 0,5 мм для более толстых материалов, чтобы обеспечить повторяемость сварки, учитывающую различия в производстве. Самая простая конструкция для сварки — иметь самый тонкий материал сверху и более толстый материал снизу. Если верхний лист толще, частичное проплавление в нижний лист становится труднее контролировать, что также затрудняет поддержание поверхности класса А на обратной стороне сварного шва.
Тем не менее, сварка внахлест имеет много преимуществ. Он не требует высокой точности позиционирования, что позволяет производить установку без жестких требований к позиционированию. По сравнению со стыковой сваркой, сварка внахлест имеет более широкий технологический диапазон, главным образом потому, что глубина провара более гибкая.
Совместный доступ и постобработка
Лазерная сварка также позволяет получить доступ к соединениям, которые ранее были недоступны. Поскольку это бесконтактный процесс, сварка в отверстиях и в ограниченном пространстве возможна, если учитывать ширину луча в момент его фокусировки. Это обеспечивает гибкость при проектировании соединений, а детали можно проектировать с использованием меньшего количества материала.
Во многих случаях послесварочная термообработка не требуется из-за небольшой ЗТВ лазерной сварки и низкого общего тепловложения. На верхней или задней стороне сварного шва также имеется небольшой выступ, который необходимо обработать после сварки. Этот процесс позволяет добиться минимального разбрызгивания и создавать визуально чистые сварные швы, особенно с добавлением защитных газов. Это избавляет от необходимости выполнять большую послесварочную обработку и очистку.
Рекомендации по проектированию светильников
Этот способ крепления обычно используется для стыковой сварки и кромочных швов трубчатых или прямоугольных деталей. Зажимы расположены очень близко к шву и оказывают давление, чтобы обеспечить минимальный зазор. Над соединением нет инструментов, которые могли бы взаимодействовать со сварным лучом, когда он попадает в фокус.
Конфигурация также обеспечивает зазор для сопла защитного газа, если защитный газ требуется в эстетических целях или по металлургическим причинам при обработке некоторых металлов, таких как титан. Крепления должны постоянно удерживать соединение в одном и том же положении Z относительно луча, чтобы лазерный луч находился в одном и том же положении фокуса. Это очень важно для получения одинаковой плотности мощности и обеспечения повторяемости результатов.
Сварка внахлест требует менее прочного крепления. Вместо длинных жестких зажимов, удерживающих весь шов на месте, несколько зажимов обеспечивают правильный контакт между двумя листами на большой площади. Такое крепление можно автоматизировать с помощью пневматических зажимов. В примере сканирующая оптика быстро сваривает все необходимые соединения. Гальвозеркала — высокоскоростные зеркала внутри сварочной оптики — позиционируют луч для сварки и обеспечивают все движение по траектории сварки. Это позволяет создать простой путь робота.
Для особенно ответственных сварных швов одно большое приспособление, спроектированное с выточенной траекторией сварного шва, может обеспечить идеальную посадку детали. Этот метод крепления требует более высоких затрат на инструменты, но также очень надежен и воспроизводим. Прикладывая большую нагрузку равномерно по поверхности детали, такое крепление может быть идеальным для штампованных деталей с большими перепадами плоскостности поверхности.
Раскрытие творчества
Лазерная сварка дает свободу творчества и некоторую свободу при проектировании деталей при условии, что учтены все основные переменные. Например, какой размер пятна необходим для данного процесса? Пятна большего размера обеспечивают большую площадь плавления и большую глубину фокусировки, но требуют больше энергии для достижения той же глубины сварки.
Аналогично, какая совместная конфигурация лучше всего? Стыковая сварка требует точности и повторяемости процесса, но позволяет добиться прочных сварных швов с минимальным подводом тепла. И наоборот, сварка внахлест требует менее точного крепления и имеет большее технологическое окно, но требует большего подвода тепла для получения более прочных сварных швов.
Со всеми аспектами процесса лазерной сварки открываются и бесчисленные возможности. Это отличный инструмент для развития производства с помощью новых, креативных конструкций деталей, которые не только повышают качество, но также (благодаря меньшему количеству производственных этапов, включая меньшее количество вторичной обработки) могут значительно снизить затраты.
